DE112005000972B4

DE112005000972B4 - Farbmessgerät mit parallelen Detektoren

Info

Publication number: DE112005000972B4
Application number: DE112005000972.6T
Authority: DE
Inventors: J. Van Andel Richard; L. Overbeck James
Original assignee: X Rite Inc
Current assignee: X Rite Inc
Priority date: 2004-04-30
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2019-01-31
Anticipated expiration: 2025-04-29
Also published as: GB2429771A; WO2005106409A1; US7262855B2; GB0619307D0; GB2429282B; US7268879B2; US20050243319A1; GB2429282A; DE112005000972T5; DE112005000971T5; GB0619304D0; WO2005106415A1; US20050243320A1

Abstract

Ein Farbmessinstrument hat ein Gehäuse und Beleuchtungsvorrichtungen, eine zweidimensionale Fotodetektormatrix und ein optisches System innerhalb eines Gehäuses. Ein UV-Filterrad schließt das Gehäuse, um ein Eintreten von Schmutzstoffen in das Gehäuse zu verhindern. Das Filterrad stützt UV-Filter und ein Nicht-UV-Glas, die wahlweise mit den Beleuchtungsvorrichtungen ausgerichtet werden können. Die Fotodetektoren können parallel lesen, und jeder Fotodetektor hat einen einzigen Spektralfilter. Das optische System führt das Licht von einem Mustertargetbereich gleichmäßig zu jedem Fotodetektor zu.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Patentanmeldung 60/566,811, die am 30. April 2004 eingereicht wurde und mit „Color Measurement Engine with UV Filtered Illumination and Parallel Detectors“ betitelt ist.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Farbmessgeräte und insbesondere auf Geräte mit parallelen Detektoren.
Farbmessgeräte sind allgemein bekannt und werden weit verbreitet bei vielfältigen Farbmessinstrumenten verwendet. Üblicherweise hat das Gerät eine Beleuchtungsquelle zum Beleuchten eines Musters, einen oder mehrere Detektoren zum Erfassen eines Lichtes, das von dem Muster reflektiert wird (oder durch dieses übertragen wird) und einen oder mehrere Filter zum Filtern des reflektierten (oder übertragenen) Lichtes. Die Detektoren messen das Licht mit verschiedenen Frequenzen innerhalb des sichtbaren Spektrums, und sie sorgen für eine Abgabe, die das gemessene Licht angibt.
Bei dem Detektorabschnitt hat eine herkömmliche Technik einen einzigen Detektor und eine Vielzahl Filter, und einen Mechanismus zum sequentiellen Positionieren des Filters vor dem Detektor für serielle Messungen. Eine Optik ist zwischen dem Muster und dem Detektor vorhanden, um den Mustertargetbereich auf den Sensor zu fokussieren. Eine andere Technik hat einen einzigen Detektor, eine Vielzahl Filter und einen Lichtschalter, der sequentiell das Licht, das durch die Filter hindurchtritt, zu dem Detektor für serielle Messungen richtet. Diese beiden Techniken haben den Nachteil einer seriellen Verarbeitung der unterschiedlichen Lichtfrequenzen, was zu zwei Problemen führt. Erstens ist eine bedeutende Zeitperiode zum Gewinnen einer Farbmessung erforderlich. Zweitens ist in Situationen, bei denen das Muster und das Gerät relativ zueinander bewegt werden, ein anderer Abschnitt des Musters in dem Gesichtsfeld, wenn jede unterschiedliche Lichtfrequenz gemessen wird. Folglich hat eine einzige Farbmessung keinen Bezug zu einem einzigen Ort auf dem Muster, sondern sie ist ein Hybrid eines Bereiches von Orten.
Eine andere Technik des Detektorabschnittes hat eine Vielzahl Detektoren, die jeweils ihren eigenen Filter aufweisen. Diese Technik lässt eine parallele Verarbeitung der Daten zu. Jedoch ringt die Vielzahl Detektoren eine hohe Anzahl der Bauteile mit sich, was zu vermehrten Material- und Laborkosten führt. Diese Technik bringt außerdem die Herausforderung mit sich, mittels der Optik den Lichtfluss in effizienter Weise auf jeden Detektor zu richten. Üblicherweise ist ein optisches System (zum Beispiel Faseroptik) für jeden Detektor vorgesehen, um das Licht zu dem Detektor zu richten. Üblicherweise sind diese optischen Systeme kompliziert und kostspielig. Falls ein einfaches optisches System verwendet wird, wird die Effizienz der Messung niedrig, da die Lichtenergie über einen großen, runden Bereich verteilt wird, der nur einen kleinen Prozentteil von jenem Bereich aufweist, der dem aktiven Detektorbereich entspricht.
EP 1 278 049 A1 offenbart ein Beleuchtungsmodul zum Beleuchten eines ebenen Messpunkts eines Reflexionsspektrometers mit einer Mehrzahl lichtemittierender Dioden und einem dispersiven optischen Element zum Analysieren von von dem Messpunkt ausgehenden Licht und mit einer Detektoranordnung.
US 6,222,631 B1 offenbart eine Vorrichtung zum Messen von Spektraleigenschaften mit einer Mehrzahl quadratisch angeordneter Bandpassfilter mit jeweils unterschiedlichen Passbändern und einem nachgeschalteten einzelnen flächigen Bildgebungssensor.
US 5,729,011 offenbart eine spektroskopische Vorrichtung mit einem Wellenlängenauswahlfilter, das jeden Aufnahmebereich jedes Pixels des Bildgebungselements bedeckt.
WO 02/103309 A1 offenbart eine Kombination aus einem adaptiven Antwortfilter und einem Detektor mit einer definierten Spektralantwortfunktion und eine Kamera, die eine solche Kombination enthält.
DE 44 34 168 A1 offenbart eine Vorrichtung und Verfahren zur Messung und Auswertung einer spektralen Strahlung innerhalb eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs.
WO 03/073457 A2 offenbart ein miniaturversiertes System und ein Verfahren zum Messen optischer Eigenschaften, bei dem Filter-Sensor-Paare verwendet werden.
US 2003/0227628 A1 offenbart ein System und ein Verfahren für filterbasierter spektrografische Analyse von Bioanalyten, bei dem zuvor bestimmten Bereichen auf einer CCD-Einrichtung korrespondierende Filter verwendet werden.
US 2003/0103199 A1 offenbart ein System zum Messen optischer Eigenschaften, das eine Faseroptik verwendet, um Licht aufzunehmen und zum Lichtsensor zu führen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorstehend erwähnten Probleme werden bei der vorliegenden Erfindung gelöst, die einen Detektorbereich vorsieht, der das parallele Lesen von mehreren Frequenzen ermöglicht. Die Erfindung wird von den Patentansprüchen 1 und 5 definiert, die abhängigen Patentansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Der Detektorbereich hat eine zweidimensionale Matrix von Sensoren, die jeweils mit einem einzigen Filter kombiniert sind. Die mehreren Sensoren können parallel lesen, was die Geschwindigkeit stark verbessert, mit der die Farben gemessen werden können. Vorzugsweise ist eine Optik enthalten, um das Licht von dem Mustertargetbereich im Allgemeinen gleichmäßig auf jedes Filter/Sensorpaar zu richten. Folglich „sieht“ jeder Sensor den selben Targetbereich und nimmt die selbe Lichtmenge von dem Targetbereich auf.
Diese sowie weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Beschreibung des gegenwärtigen Ausführungsbeispiels und den Zeichnungen ersichtlich.
Figurenliste

1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Farbmessgeräts der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt eine seitliche Draufsicht des Farbmessgerätes;
3 zeigt eine Schnittansicht durch das Farbmessgerät;
4 zeigt eine untere Draufsicht des Farbmessgerätes und sie zeigt das UV-Filterrad in der UV-losen Position;
5 zeigt eine untere Draufsicht des Farbmessgerätes, und sie zeigt das UV-Filterrad in der UV-haltigen Position;
6 zeigt eine perspektivische Explosionsansicht des UV-Filterrades;
7 zeigt eine perspektivische Ansicht der Filter/Sensormatrix;
8 zeigt eine perspektivische Ansicht ähnlich wie die 7, aber bei ihr ist das Epoxyd beseitigt;
9 zeigt eine schematische Darstellung der Optik des Farbmessgerätes.

BESCHREIBUNG DES GEGENWÄRTIGEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELES
Ein Farbmessinstrument, das gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel der Erfindung aufgebaut ist, ist in den Zeichnungen dargestellt und im Allgemeinen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das Instrument hat ein Gehäuse 12, eine Beleuchtungsbaugruppe 14, ein UV-Filterrad 16, ein optisches System 18 und eine Detektorbaugruppe 20. Das Gehäuse 12 sorgt für eine Stütze von allen anderen Komponenten. Die Beleuchtungsbaugruppe 14 beleuchtet das Muster S durch die Filterradbaugruppe 16. Das von dem Muster S reflektierte Licht wird durch das optische System 18 auf die Sensorbaugruppe 20 fokussiert. Die Sensorbaugruppe gibt Informationen ab, die den Frequenzgehalt des von dem Muster S reflektierten Lichtes angeben.
Das Gehäuse 12 sorgt für eine Stütze der anderen Komponenten bei dem Farbmessgerät. Das Gehäuse 12 definiert drei Beleuchtungsrohre, die um 120° voneinander um das optische System 18 orientiert sind. Jedes Rohr 22 hat ein oberes Ende 24, das einen Abschnitt der Beleuchtungsbaugruppe 14 stützt, und einen unteren Abschnitt 26, der einen Reflektionsspiegel 28 stützt und mit der Filterradbaugruppe 16 ausgerichtet ist. Jeder Spiegel 28 ist in einem Winkel von ungefähr 22,5° zu der Achse des Rohres orientiert, so dass das Licht auf das Muster S in einem Winkel von ungefähr 45° gerichtet wird. Das Gehäuse hat Merkmale wie zum Beispiel jene, die durch die Bezugszeichen 29 und 31 in den 1 bis 2 gezeigt sind, um das Anbringen des Instrumentes 10 innerhalb eines größeren Systems (nicht gezeigt) zu ermöglichen.
Die Beleuchtungsbaugruppe 14 hat eine Schalttafel 30 und drei Lampenbaugruppen 32, die daran angebracht sind. Jede der drei Lampenbaugruppen 32 ist an dem oberen Ende 24 von einem der Lichtrohre 22 angebracht, um eine Beleuchtung zu dem Muster zu richten. Die Lampenbaugruppen sind dem Durchschnittsfachmann allgemein bekannt. Auch wenn das gegenwärtige Ausführungsbeispiel mehrere Beleuchtungsvorrichtungen aufweist, so ist die vorliegende Erfindung gleichsam auf ein Gerät einschließlich einer einzigen Beleuchtungsvorrichtung anwendbar.
Das optische System 18 hat einen Körper 34, der sich über die ganze Höhe des Farbmessgerätes zwischen der Filterradbaugruppe 16 und der Sensorbaugruppe 20 erstreckt. Der untere Abschnitt 36 des optischen Körpers 34 wird durch den unteren Abschnitt des Gehäuses 12 gestützt und ist mit diesem verbunden. Der untere Abschnitt 36 des optischen Körpers 36 hat eine Vielzahl Tabs 38, die das Filterrad für eine drehbare oder schwenkbare Bewegung stützen. Der untere Abschnitt 36 hat des Weiteren eine Vielzahl Führungen 39 mit einer runden Konfiguration, um den runden Bewegungspfad des Filterrades zu definieren. Das optische Gehäuse 34 hat außerdem eine Vielzahl Füße oder Abstandsstücke 40. Zusätzlich hat das Gehäuse Stopper 41, die die Bewegung der Filterradgruppe 16 zwischen der UV-haltigen und der UV-losen Position begrenzt.
Das optische System 18 hat des Weiteren eine Objektivlinse 42, ein nicht-reflektierendes Rohr 44, eine Kollektivlinse 46, eine Öffnung 52, die die Punktgröße definiert und eine gemeinsame Blende 48. Die gemeinsame Blende 48 blockiert UV-Frequenzen unter 380-390 Nanometer (nm) und infrarote Frequenzen (IR-Frequenzen) über 720-730 nm. Streulichtöffnungen 50 und 51 reduzieren nicht erwünschte Streulichteffekte. Eine geformte Feder 53 hält die Kollektivlinse 46 an ihrem Platz und eine andere geformte Feder (nicht gezeigt) hält die Objektivlinse 42 an ihrem Platz. Die Funktion des optischen Systems wird nachfolgend in weiteren Einzelheiten beschrieben.
Die Filterradbaugruppe 16 ist in weiteren Einzelheiten in der 6 dargestellt. Die Filterradbaugruppe 16 hat ein Rad 60, 3 UV-Filtergläser 62 und 3 Nicht-UV-Filtergläser 64. Das Rad 60 hat einen kegelstumpfförmigen Körper 66, der durch eine flache, runde, sich nach außen erstreckende Lippe 68 umgeben ist. Ein Tab 69 erstreckt sich radial von dem Rad 60, um einen Mechanismus zum Drehen oder Schwenken des Rades vorzusehen. Der Körper 66 definiert 6 Öffnungen 70, die gleichmäßig um den Umfang des Körpers in Intervallen von 60° beabstandet sind.
Die drei UV-Filtergläser 62 sind in dreien der Löcher 70 in Winkeln angebracht, die um 120° voneinander beabstandet sind. In ähnlicher Weise sind die Nicht-UV-Filtergläser in den drei verbleibenden Löchern in Winkeln angebracht, die ebenfalls um 120° voneinander beabstandet sind. Folglich wechseln sich die UV-Filter- und Nicht-UV-Filtergläser um den Körper 66 ab.
Die Filterradbaugruppe 16 wird durch den unteren Abschnitt 36 des optischen Gehäuses 34 gestützt. Insbesondere befindet sich die Radlippe 68 innerhalb der Führungen 39 und unter den Tabs 38, um das Rad drehbar zu stützen. Die Bewegung des Tabs 69 wird zwischen den Stoppern 41a und 41b begrenzt (siehe insbesondere 4). Die Filterradbaugruppe 16 kann sich um einen Winkel von 60° zwischen den Stoppern 41 drehen. Insbesondere kann das Filterrad entweder in einer UV-losen Position (1 und 4) an der die UV-Filter 62 mit den Lichtrohren 22 ausgerichtet sind, oder in einer UV-haltigen Position (5) platziert werden, an der die Nicht-UV-Gläser 64 mit den Lichtrohren 22 ausgerichtet sind. Vorzugsweise ist ein visueller Indikator (nicht gezeigt) an dem Gerät 10 vorgesehen, um anzugeben, ob der Tab 69 und daher die Radbaugruppe 16 an der UV-losen oder der UV-haltigen Position ist.
Die Sensorbaugruppe hat eine Schalttafel 70 und eine Filter/Sensormatrix 72. Die gedruckte Schalttafel 70 ist in einer dem Durchschnittsfachmann allgemeint bekannten Bauart, und sie versorgt die Filtermatrixbaugruppe 72 mit Strom und mit einer Steuerung. Der Aufbau und die Programmierung der Vorrichtungen an der Tafel 70 sind dem Durchschnittsfachmann bekannt.
Die Filter/Detektormatrixbaugruppe 72 ist in den 7 und 8 dargestellt. Die Baugruppe 72 hat ein Substrat 74 und eine Vielzahl Filter/Detektorpaare 75 sowie eine Umhüllung 80. Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel sind 16 Paare 75 in einer 4x4-Matrix enthalten. Jedes Paar 75 hat eine Fotodiode 76 und einen Filter 78. Die 16 Bandpassfilter sind nominal an den folgenden Passfrequenzen zentriert:

Filter Passfrequenz (mn)

1 400

2 420

3 440

4 460

5 480

6 500

7 520

8 540

9 560

10 580

11 600

12 620

13 640

14 660

15 680

16 700
Die Filter/Sensorpaare 75 werden durch das Substrat 74 in einer Herkömmlichen Art und Weise gestützt. Die undurchsichtige Umhüllung 80 kann ein Polymermaterial, ein Silikonmaterial oder Epoxyd sein. Die Umhüllung sorgt für eine strukturelle Integrität für die montierte Einheit und sie reduziert ein Nebensprechen zwischen den Filter/Sensorpaaren 75.
Das optische System 18 ist schematisch in der 9 dargestellt. Wie dies vorstehend beschrieben ist, hat das optische System 18 eine Objektivlinse 42, eine Kollektivlinse 46 und eine Öffnung 52, die die Punktgröße definiert. Das optische System 18 richtet das Licht von jedem Punkt (d.h. einer Vielzahl Punkte) in dem Targetbereich TA des Musters S im allgemeinen gleichmäßig auf jedes der Filter/Sensorpaare 75 in der Matrix 72, so dass jedes Filter/Detektorpaar 75 das Licht von dem gesamten Targetbereich TA sieht. Folglich „sieht“ jedes Filter/Sensorpaar den selben Targetbereich TA mit der selben Intensität wie die anderen Sensoren.
Die Objektivlinse 42 bildet die Öffnung 52, die die Punktgröße definiert, auf das Muster S ab, um die Größe des Targetbereiches TA zu definieren. Die Öffnung 52 gibt daher den Bereich des Musters S vor, der einen Beitrag für das Licht zu den Filter/Detektorpaaren 75 durch direkte Pfade durch die Linsen 42 und 46 du die gemeinsame Blende 48 aufweist. Das optische System 18 definiert klar den Sollbereich TA des zumessenden Musters S (den Punkt), der in hohem Maße das Licht von der Außenseite des Punktes abstößt und das Licht aus dem Inneren des Punktes mit einer scharfen Grenze zwischen den beiden einheitlich aufnimmt. Darüber hinaus wird diese scharf definierte Punktgrenze ohne einen Kontakt mit dem Muster definiert. Die scharfe Grenze ist insbesondere dann nützlich, wenn viele unterschiedliche Farbflecken auf einem einzigen Papierblatt gemessen werden, da dies genaue Farbmessung der Flecken ermöglicht, die nicht viel größer als die Punktgröße sind, und zwar ohne einen unerwünschten Einfluss der benachbarten Farbflecken. Die klar definierte Punktgrenze erleichtert außerdem eine Lenkung einer Sequenz der Flecken hinter dem Farbmessgerät.
Bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist die Objektivlinse eine sphäro-konkave/aspherisch-konvexe Acryllinse mit einem Durchmesser von 12 Millimeter (mm) und einer Effektiven Brennweite (EFL) von 12 mm; und die Kollektivlinse 46 ist eine bikonvexe Acryllinse mit einem Durchmesser von 12,5 mm und einer EFL von 16,95 mm. Des Weiteren ist bei dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel der Abstand zwischen dem Muster S und der Objektivlinse 42 11,2 mm; der Abstand zwischen der Objektivlinse 42 und der Kollektivlinse 46 beträgt 27,2 mm; der Abstand zwischen der Kollektivlinse 42 und der Öffnung 52, die die Punktgröße definiert, beträgt 4,6 mm; und der Abstand zwischen der Öffnung52und derMatrix72beträgt 32,7 mm.
Da jedes Filter/Sensorpaar 75 das selbe Bild zur selben Zeitsieht, können die Paare parallel gelesen werden, was die Geschwindigkeit der Farbmessung verbessert. Alternativ können die Paare 75 seriell Lesen, auch wenn das serielle Lesen an sich langsamer als das parallele Lesen ist. Ein weiterer Vorteil des parallelen Lesens der Paare75 ist, dass die verschiedenen Lesevorgänge nicht von der Sequenz oder der Zeit abhängig sind.
Das Farbmessinstrument 10 hat ein einziges optisches System 18, um den Lichtfluss effizient von dem Targetbereich TA zu der Matrix 72 zu richten. Das optische System sorgt für ein Mischen des Lichtes aus allen Bereichen des Targetbereiches zu jedem Filter/Detektorpaar 75,und es hat eine einfache, einzige Öffnung, die die Größe des Sollbereiches steuert. Die Größe des Sollbereiches kann dadurch geändert werden, dass nur ein relativ Preiswertes Teil (d.h. die Bemessungsöffnung 52) geändert wird. Da das Gerät 10 eine Detektorbaugruppe 20 mit einem eng gepackten und aktiven Bereich (d.h. die Matrix 75) verwendet, ist der radiometrische Wirkungsgrad auch mit einem relativpreiswerten, optischen System 18 mit zwei Linsen relativ hoch.

Claims

Fotodetektorbaugruppe (72) mit: einem einstückigen Substrat (74) einschließlich einer Vielzahl Fotodetektoren (76), die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind und die zum Aufnehmen einer Strahlung geeignet sind, die von einem Mustertargetbereich (S) reflektiert wird, und die zum parallelen Lesen geeignet sind; einer Vielzahl Spektralfilter (78) mit nicht-identischen Filtereigenschaften, wobei jeder Spektralfilter (78) zu einem der Fotodetektoren (76) gehört, sodass Spektralfilter (78) und Fotodetektoren (76) Filter-Detektor-Paare (75) in Form von Quadern mit quadratischer Basis bilden, wobei die Filter-Detektor-Paare (75) in der Matrix durch Zwischenräume voneinander beabstandet angeordnet sind; und einer Optik, die Licht von jedem Punkt in dem Mustertargetbereich (S) im allgemeinen gleichmäßig auf jeden Fotodetektor richtet.
Fotodetektorbaugruppe (72) gemäß Anspruch 1, wobei die Filtereigenschaften von jedem Spektralfilter (78) anders als die Filtereigenschaften der anderen Spektralfilter (78) sind.
Fotodetektorbaugruppe (72) gemäß Anspruch 1, wobei die Fotodetektoren (76) in einer rechteckigen Matrix angeordnet sind.
Fotodetektorbaugruppe (72) gemäß Anspruch 1, wobei 16 der Fotodetektoren (76) in einer 4 × 4-Matrix angeordnet sind.
Farbmessinstrument (10) mit: einer Beleuchtungsvorrichtung (14), die dazu geeignet ist, eine Strahlung auf einen Mustertargetbereich (S) zu richten; und einer Fotodetektorbaugruppe gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Farbmessinstrument (10) gemäß Anspruch 5, wobei die Fotodetektoren einstückige Abschnitte eines einzigen Substrates sind.